An Improved 3-D Ray Tracing Method Using Linear Traveltime Interpolation

An approach of three-dimensional seismic ray tracing is presented,which is derived from adopting two-dimensional linear traveltime interpolation（LTI）.By adjusting the forward process using the partition of grid interface,and backward step by considering more directions,the new approach is suitable for the application of three-dimensional models.The calculation results show that,with the same accuracy,the improved 3-D method is much faster than the method of traditional LTI directly applied in the three-dimensional case.

一种改进的线性走时插值射线追踪算法

线性走时插值法（LTI）在走时的计算中,由于射线方向考虑不全,计算得到的节点走时不一定最小,导致追踪的射线路径无法满足最小走时.针对这一问题,本文提出了一种改进的射线追踪算法,通过采用多方向的循环计算,得到所有计算节点的最小走时,使追踪到的射线路径能真正满足最小走时,以确保射线追踪的精度.模拟实验结果表明,在介质速度变化剧烈的结构中,该算法与传统的LTI算法相比,有效地提高了射线追踪的精度.

三维旅行时场B样条插值射线追踪方法

传统的三维射线追踪算法由于受到计算区域网格离散化的限制,会导致追踪结果的射线路径出现不应有的弯折和相邻射线合并现象,进而影响追踪精度。本文根据地震初至波路径垂直于波前面的原理,提出基于B样条插值的旅行时场梯度反向射线追踪方法。该方法通过三次B样条插值得到空间连续的旅行时场,并计算旅行时场梯度;然后从检波点开始,沿着旅行时场梯度的负方向进行追踪,即可得到从震源到检波点的最小旅行时路径。由于通过样条插值能获得连续的旅行时场,故追踪步长不受网格尺寸的限制,从而克服计算区域离散化所带来的问题。应用具体算例对该方法的效果进行了验证,结果表明,该方法在计算精度和效率上都有明显改善。应用于地震初至波层析成像的正演计算时,能够使收敛误差更小。

复杂地表条件下基于线性插值和窄带技术的地震波走时计算

为了在复杂地表条件下实现地震波走时计算,提出了一种基于线性插值和窄带技术的走时计算新方法.其中,线性插值用于局部走时计算,窄带技术用于局部波前捕获和追踪.为了逼近起伏地表,采用三角网和矩形网相结合的方法对速度模型进行剖分.为了得到局部走时计算公式,利用费马(Fermat)原理和关于入射点位置的限定条件.有关编程实践和数值试验表明:新方法不仅可以有效、灵活地处理地表高程的剧烈变化,而且还具有很好的适应性和稳定性,得到的计算结果满足波前传播规律.

针对复杂地形的三种地震波走时算法及对比

复杂地形条件下地震波走时算法对于研究复杂地形地区的成像问题有着重要的意义.为了得到精度高且适应于复杂地形的走时算法,首先提出阶梯网格迎风差分法.然后将该方法与不等距网格有限差分法和混合网格线性插值法进行对比研究,得出如下结论:混合网格线性插值法的计算精度最高,但其计算效率最低;阶梯网格迎风差分法的计算精度最低,但其计算效率最高;不等距网格有限差分法的计算精度和计算效率均居中;而究竟选取哪种算法作为给定复杂地形模型的地震波走时算法,应该综合考虑地形的特点、所研究问题对计算精度及计算效率的要求等因素.最后通过一个计算实例验证了三种算法在面对复杂地形、近地表及地下复杂介质等复杂地质条件时均有很好的适应性和稳定性.

地震波旅行时非线性/线性联合插值法

地震波旅行时计算是射线追踪方法的核心问题,其精度直接影响着路径的精度和正演模拟的准确程度。为了提高地震波旅行时的计算精度,基于Asakawa的旅行时线性插值法(LTI)提出了一种改进的射线追踪法——非线性/线性联合插值法,即在震源的近场采用非线性插值计算旅行时,在远场仍用LTI算法。非线性/线性联合插值法提高了近场旅行时的计算精度,进而提高了全场(尤其是远场)旅行时的计算精度。数值模拟和模型试算的结果表明,本文提出的非线性/线性联合插值法较传统的LTI算法更为精确。

基于非线性插值的地震波旅行时计算

地震波旅行时计算是射线追踪方法的核心问题,其精度直接影响着路径的精度和正演模拟的准确程度。在简要分析目前最典型的几种地震波旅行时计算方法(如有限差分法、线性插值法等)局限性的基础上,提出了一种基于非线性插值的地震波旅行时计算方法,并推导了其计算公式。通过模型的对比试算,不仅验证了所提出的旅行时非线性插值算法的正确性,而且还表明本算法计算旅行时的精度,比Asakawa[5]提出的线性插值算法的精度更高。

起伏地表地震波旅行时混合网格线性插值射线追踪计算方法

为了提高在起伏地表和复杂构造条件下地震波旅行时的计算精度和效率,对完全矩形网格剖分的旅行时线性插值(LTI)方法进行了改进,提出用矩形网和不规则四边形网相结合的方法离散速度模型,对适用于矩形网格的局部旅行时计算公式进一步推导,得到适用于混合网格的局部旅行时计算公式,并证明了该公式可稳定求解。结合分区多步计算技术将该方法扩展为基于混合网格的分区多步LTI方法。数值计算结果表明,该方法不但可以灵活地处理剧烈起伏的地表和构造复杂的速度界面,而且旅行时和射线路径的计算结果能保持较高的精度。

旅行时线性插值射线追踪提高计算精度和效率的改进方法

旅行时线性插值(LTI)射线追踪算法是基于线性假设的,在向前处理过程中仅用按行或按列扫描的方法来计算节点旅行时没有考虑逆向传播射线,导致其计算精度与网格剖分大小有关,在处理复杂介质时会使得追踪出来的射线路径不一定满足最短旅行时。因此,笔者提出了两点改进措施:在向前处理时需采用全方位循环的方法来计算节点最小旅行时;在网格边界加入次生节点。模型试算结果表明:采用全方位循环的LTI法考虑了来自各个方向的射线,可提高其对复杂模型的适应能力;在节点间距相同的情况下,网格边界插入次生节点的LTI法较传统的LTI法计算精度至少可以提高一个数量级,同时,计算速度也更快;随着节点间距剖分的越精细,计算耗时下降也越明显,计算速度较传统的方法可提高n～10n倍。

双重网格井间地震层析成像技术

提出了一种不同于常规的井间地震层析成像技术,即在较细的网格上进行射线追踪,以提高射线路径和旅行时的计算精度,在较粗的网格上进行层析反演成像,使网格像素上射线覆盖的最低次数达到一定要求,以提高成像质量。分析了采用这种双重网格地震层析成像技术的必要性,模型实验证实了此技术实用性和有效性。

三维层状介质中基于走时梯度的多次波射线追踪

本文结合分区多步思想改进初至波走时梯度射线追踪算法(MTG),使之能适用于三维层状介质中多次波射线追踪计算。在计算过程中按照射线类型和速度分界面将三维模型分为不同的计算区域,根据多次波的传播顺序从震源开始在对应的区域内采用网格剖分线性插值法计算波前走时场。然后从检波点开始根据多次波的类型在对应的计算区域内沿走时梯度方向分步追踪多次波射线路径。在计算多次波波前走时场的过程中,为提高计算效率加入了逐次网格剖分技术,使分界面上波前新的震源位置更加精确;在多次波射线追踪的过程中根据走时梯度方向追踪射线路径,在速度分界面区域内采用局部追踪策略求取下一个追踪点以提高多次波的射线精度。本文在多层层状介质模型及扩展到三维的Marmousi模型中进行试验,计算结果表明,改进的MTG算法结合分区多步技术计算多次波时具有常规MTG法计算初至波时的优点,计算精度高、算法简单、计算效率高,验证了MTG算法在复杂的三维模型中计算多次波的有效性。

一种线性走时插值射线追踪改进算法

针对线性走时插值算法(LTI)不能正确追踪逆向传播射线的问题,目前已提出多种改进算法,如扩张收缩LTI算法、循环计算LTI算法、动态网络最短路径射线追踪算法等,但这些算法的计算效率普遍偏低.在分析各种改进LTI算法的优劣后,本文提出了改进动态网络最短路径射线追踪算法.该改进算法依据波的传播规律以及LTI算法的基本方程,排除动态网络最短路径射线追踪算法中大量冗余节点计算,并采用传统的二叉树堆排序算法对波前阵列节点进行管理.数值算例表明,本文提出的改进算法具有较高的计算效率,其计算效率是动态网络最短路径射线追踪算法的4.5—30倍,是原始LTI算法的2—6.5倍;当动态网络最短路径射线追踪算法采用堆排序算法时,改进算法的计算效率是其3.5—15倍.

动态网络最短路径射线追踪算法中向后追踪方法的改进

动态网络最短路径射线追踪算法中的向后追踪方法能够解决线性走时插值算法(LTI)向后追踪过程不稳定的问题,但是其计算效率较低.综合利用节点次级源的位置信息以及波的传播规律,提出了改进方法,排除了动态网络最短路径射线追踪算法向后追踪过程中存在的大量冗余计算.数值算例表明,改进的向后追踪方法具有较高的计算效率,是动态网络最短路径射线追踪算法中向后追踪方法的几倍至几十倍;若将改进后的向后追踪方法应用于动态网络最短路径射线追踪改进算法,则该算法的计算效率将提高一倍左右.

基于边界线性走时插值的射线追踪算法

在传统的基于线性走时插值(LTI)的射线追踪算法中,由于线性假设,射线经过多个网格单元会导致误差累积.将其应用于工业探伤的超声计算机断层成像时,待检测材料往往是背景区域和少量缺陷区域组成的集合.为减小累积误差,文中提出了一种新的基于边界LTI的射线追踪算法.该算法通过在不同区域的边界上插入节点来确定射线的折射角度,以减小累积误差,同时借鉴多方向循环扫描的思想来解决逆射问题.模拟实验结果表明,文中算法的走时计算及射线路径追踪精度、运行时间均优于传统LTI算法和交叉扫描LTI算法.

网格逐次剖分算法在三维地震射线追踪中的应用

初至波走时计算与路径追踪是基于射线理论层析成像的关键,走时线性插值(LTI)算法具有较高的追踪精度和计算效率,在二维条件下应用广泛,但在三维情况下存在最小走时方程不能解析求解的问题。为此,在走时线性插值的基础上,提出了一种改进的网格逐次剖分方法。该方法基于原有的LTI网格界面剖分算法,在最小走时剖分点附近建立同样规格的剖分点阵列进行进一步的细分搜索,寻找最小走时,避免了增加剖分精度而进行的全局细化搜索,节约了计算时间。该方法解决了三维LTI最小走时求解问题,并且能够以较小的计算代价获得更高的计算精度。在给出算法原理与计算步骤的同时,通过模型及实例验证了新算法在计算精度与计算效率上的改进。

三维LTI射线追踪极小值方程的快速数值解法

线性走时插值(LTI)算法应用于三维射线追踪时,其向前处理过程中的极小值方程是超越方程,无法求出解析解.虽然可以采用网格剖分方式近似求解,网格剖分精度越大,计算结果越精确,但随着剖分精度的提高,向前处理的计算量会以N3的阶次增加,从而导致计算效率的降低.本文将最速下降法引入到LTI射线追踪算法的向前处理,提出了一种求解三维LTI超越方程的快速数值解法,该方法也不是一种精确求解方法,而是沿着负梯度方向不断逼近真实解.计算结果表明,该算法在兼顾射线追踪精度的同时能有效提高计算效率,计算速度快了3倍以上.

基于波前扩展的线性走时插值射线追踪算法

线性走时插值算法(LTI)在走时的计算中由于考虑的射线方向有限,计算得到的节点走时不一定最小,导致追踪的射线路径无法满足最小走时.针对这一问题,本文提出了一种改进的LTI射线追踪算法,该算法通过模拟真实波传播过程,采用波前扩展方法计算节点走时使节点走时更接近真实最小值,以确保射线追踪的精度.模拟算例结果表明,该算法在有效地提高射线追踪精度的同时,兼顾了计算的效率.